（热能工程专业论文）基于神经网络辨识的循环流化床锅炉的床温控制研究.pdf

摘要 摘要 循环流化床锅炉( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，简称c f b b 或c f b 锅炉) 作为一种高效、低污染、燃料适应性广、负荷调节性能好的燃煤技术，在全世界 受到广泛重视，正在成为燃煤技术的主力军。循环流化床锅炉商业化的迅速发展 给它的运行自动化提出了很高的要求。 但是，迄今为止循环流化床锅炉仍然是一种工艺上不断改进的新型锅炉，它 的燃烧过程具有高度的非线性、不确定性、时变和大滞后及多变量耦合严重等复 杂特性。尤其是目前对其燃烧机理和模型化的研究不太成熟，能用于实时控制的 模型尚不完善。因此，作为循环流化床锅炉燃烧控制系统中的一个重要参数的床 温的自动化控制水平一直无法得到有效提高。 本文通过对循环流化床锅炉密相区和稀相区的质量平衡与能量平衡的分析， 建立了床温控制模型。设计了两类神经网络控制器单神经元神经网络和r b f t o 经 网络控制器，并对每一类控制器进行了仿真。进而设计了基于r b f 丰申经网络辨识 的单神经元p i d 模型参考自适应控制系统。仿真结果表明，模型参考自适应控制 系统在对模型的辨识以及跟踪方面具有更好的控制效果。 关键词：循环流化床锅炉床温神经网络仿真 垒! ! 塑璺 a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ( a b b r c f b bo rc f bb o i l e r ) i sb e c o m i n gt h e m a i nc o a lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g ya l lo v e rt h ew o r l df o ri t sa t t r a c t i v ea d v a n t a g e so f h i g h c o m b u s t i o ne f f i c i e n c y ，e f f i c i e n ts u l f u rr e m o v a l ，l o wn o xe m i s s i o n ，f u e l f l e x i b i l i t ya n dg o o dl o a d f o l l o w i n gc a p a b i l i t y h i g hd e m a n do fa u t o m a t i cc o n t r o l o f c f b bi sp r o p o s e dw i t hi t sf a s tc o m m e r c i a ld e v e l o p m e n t - b u t ，c f b bi san e wt y p eb o i l e rw i t hi m m a t u r et e c h n o l o g y t i l ln o w s o m e c o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sn o n l i n e a r i t y , u n c e r t a i n t y ，t i m e - v a r i e t y , u n d u e l a g g i n ga n dm u l t i v a r i a b l ec o u p l i n g s t u d yo fc o m b u s t i o nm e c h a n i s ma n dm o d e l i n g a r en o tm a t u r e a n dm o d e la p p l i e di nr e a l - t i m ec o n t r o lh a sn o ta p p e a r e d s ot h el o w c o n t r o ll e v e lo ft h eb e dt e m p e r a t u r e ，a sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e r o fc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e db o i l e r ，i sk e e p i n g i nt h i st h e s i s ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so nm a s sb a l a n c ea n de n e r g yb a l a n c ei nt h e d e n s ep h a s ea n ds p a r s ep h a s e ，t h eb e dt e m p e r a t u r ec y b e r n e t i cm o d e li se s t a b l i s h e di n t h i st h e s i s t w ot y p e sn e u r a ln e t w o r k sa r ed e s i g n e d ：t h es i n g l eh e r o nn e t w o r k s c o n t o l l e ra n dt h er b f r a d i a lb a s i sf u n c t i o nc o n t r o l l e r t h en e u r a ln e t w o r kc o n t r o l s y s t e mi ss i m u l a t e do nt h eb e dt e m p e r a t u r eo ft h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r a n dt h e no nt h es i n g l en e r o np i dr e f e r e n c em o d e ls e l f a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o nr b fn e u a ln e t w o r ki sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tr e f e r e n c em o d e l s e l a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c eo nt h e i d e n t i f i c a t i o na n dt h e t r a c eo fp l a n tm o d e l k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，b e dt e m p e r a t u r e ，n e u r a ln e t w o r k s i m u l a t i o n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下述行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的含人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：易觑久 日期：加嘭年3 月增日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 碍烬签名：锰簋论文作者签名：乏塑叁 笙二童堕堡 一一 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 循环流化床锅炉技术概况 循环流化床锅炉( c i r c u l a t i n gf | u i d i z e db e db o i l e r ，简称c f b b 或c f b ) 是八 十年代国际上发展起来的新代高效、低污染清洁燃烧锅炉，具有燃料适应性广、 负荷调节性能好、灰渣综合利用等优点。在电力供热和工厂蒸汽生产中得到越来 越广泛的应用。目前，在世界范围内，循环流化床锅炉的销售分布。1 如图1 1 。 l 鳘li 1 世界范嘲内循环流化殊锅妒的销售分布图，奠可分敬为已安装数i g r a c ee t a l1 9 9 7 ) 循环流态化的概念柬自于化工领域，各国将此技术应用于能源工业领域，根 掘嚣自的具体情况，在锅炉的结构| 采用了略订l ：嗣的设h 方案，【 i 诮了各自的 与利技术，从而形成了小f d 类型的循环流化床锅炉。 在近二十多年里，为了开发、完善循环流化床燃烧技术，世界上各工业国家 技术，人力财力等各方面都作了大量投入，而走在世界前列的仍然是几个比较发 达的资本# 义工业国家。目前国外主要开发研制单位和生产厂家有德国鲁奇 ( l u r g i ) 公司芬兰爽斯龙( a h l s t r j o m ) 公司、美陶巴特尔( b a t t e l l e ) 研 究- p 心、美国福斯特惠勒( f o s t e r w h e e l e r ) 公司，德国巴佰科克和斯坦缪勒公 苎兰塑丝竺垒塑堡塑塑登煎垡堕塑鎏堕堡婪丝型型堕! 一 司，瑞典斯图特斯维公司美国的燃烧工程公司和法国斯坦因公司引进德国鲁奇公 司的技术，也是当今世界上循环流化床锅炉生产能力较强的厂，虽然开发，研制， 生产循环流化床锅炉的公司，厂商较多，但从循环流化床锅炉设计结构特点上可 分为三大流派”。 l 、德国鲁奇公司为代表的鲁奇型循环流化床锅炉，鲁奇公司是世界上开发循 环流化床锅炉最早的公司之一。该公司在长期大量生产和试验的基础上，逐步形 成了较有特色的循环流化床技术，在循环流化床锅炉研究和设计上处于领先地位a l - f 。年代术利用鲁奇循环流化床技术已生产4 0 多台。最大容量的循环流化床锅炉 为4 9 9 t t - i 。鲁奇型循环流化床的特点主要有： ( 1 ) 循环系统内设主床燃烧室和外置泡床换热器，在主床上部布置少数屏式 受热面；再热器和过热器受热面布置在外置换热器和对流烟道之中，运行时，通 过调节燃料量和经过外嚣换热器的热灰流量，摔制炉膛温度和蒸汽温度。 ( 2 ) 根据燃料特性差异，循环速度在4 9 9 州s 之间变化，炉膛出口烟气 中的固体物料含量在5 - - 3 d k g m 3 相应_ 的循环倍率在3 0 - - 4 0 以上。 ( 3 ) 采用分段送风燃烧方式，一次风从面风板下部送入燃烧室，二次风从布 风板l ：部定商度送入炉趟中，一、二次风量比为4 ：6 ，过剩空气系数吐= 1 1 5 一1 2 0 ，这样可以做到，在燃烧室下部的密相区为低氧燃烧形成还原气氛；在二 次风门上部为富氧燃烧，生成氧化性气氛，通过合理她调一、二：次风比，可维持 较理想的燃烧效率和有效地控制仉生成量。 ( 4 ) 炉膛出口布蓬高温旋风分离器，分离器入口处烟温约8 5 0 c 。分离器采 用钢壳结构，内衬耐火和防磨衬晕。分离效率可达9 9 。鲁奇犁的循环流化床锅 炉运行的机动性、经济性、燃料适应性以及排放技术水平都有优良的业绩，它的 缺点是锅炉的系统结构复杂，厂用电高，有磨损问题、投资最高。 2 、奥斯友公司开发的百炉宝( p y r o f l o w ) 型循环流化床技术。该公司是目前 世界：生产循环流化床锅炉最多的一家跨国公司。已生产各利，卒i = 量循环流化床锅 炉1 2 0 多台遍布世界各地，这家公司从七十年代初就投入人量人力、财力，建 有大型试验站，专门从事开发适合各种燃料的循环流化床技术，八斗年代术生产 最大的循环流化床锅炉4 2 0 d h ，在内江工程和茂名工程上该公司中标。百炉宝循 环流化床锅炉特点： ( 1 ) 不议外置热交换器，循环流化床锅炉t 要由燃烧室，r 苛温旋风分离器、 回料器、对流烟道等组成。有的还配有冷渣器。 ( 2 ) 燃烧室分为上、下两部分，卜部由水冷壁延伸部份，钢板外壳及耐火砖 型：童堕笙 衬里组成：上部炉膛四周为膜式水冷壁，过热器一、三级句爱在炉膛顶部或尾部 烟道上方，二级过热器用钢管制作，布置在炉膛中部，这是百炉宝型循环流化床 锅炉独有的设计结构。 ( 3 ) 采用高温旋风分离方式，最高入口烟温可达9 5 0 。c 。该分离器可布置在 炉前面、炉两侧或炉膛与尾部烟道之间，布置方式灵活，多采用高循环倍率，分 离效率可达9 9 。 ( 4 ) 、二次风基本各占5 0 燃料不仅在炉膛下部燃烧而且还随着气 流上升，使整个炉膛都可用来燃烧，沿水冷壁高度的烟气温度比较均匀。在低负 荷时，物料循环量减少，燃烧集中在炉膛下部，逐步过渡到鼓泡床运行方式。 ( 5 ) 锅炉本体布置结构紧凑，耗钢量比鲁奇公司的循环流化床锅炉少得多， 厂用电也少得多。从投运和几十台炉子统计看锅炉出力、参数、热效率，燃料 适应性，操作摔制和排放水平都达到令人满意的水平，可用率商达9 8 。 因此，奥斯龙公司百炉宝型循环流化床锅炉在世界上享有较高的信誉，市场 占有率最高该种炉型缺点是( j ) 制造二级过热器工艺难度太高，稍有缺陷，很 易磨损；( 2 ) 对于小容量机组采用高温旋风分离器成本高，从而使整个装置造价 成本提高。另外小于分离器切割直径的飞灰粒子，很难采用般机械分离装置扑 集，而只能采用电除尘或袋式除尘装置，相对造价较高。 3 、美国福斯特惠勒公司为代表的第三种流派。该公司具有一百多年制造锅 炉的历史，从7 0 年代初开始开发制造流化床锅炉，迄今己生产5 0 多台，遍布世 界各地，该公司认为他们开发的循环流化床锅炉是在鼓泡床技术上的自然延伸和 发展，集煤粉炉、鼓泡床炉与循环流化床的长处于一体，设计生产出别具特色的 福斯特、惠勒型循环流化床锅炉，其主要特点是： ( 1 ) 采用汽( 或水) 冷旋风分离器，这种分离器既是加热部件。又起分离作 用，分离器壁面用膜式鳍片管制成，涂有耐热魏磨衬里，其厚度在5 0 - - 7 0 r a m ， 仪是鲁奇公司和百炉宝型分离器衬取壁厚3 5 0 - - 4 5 0 m m 的1 5 1 6 ，冷炉启动快， 适合变负荷运行。 ( 2 ) 在炉膛内设有内簧床( l n n 疆x ) ，这f f 利于炉f 大型化，可多前j 置受 热面，因此陔公司目前j 下在设计2 5 - 力千瓦机组的循环流化床锅炉。 ( 3 ) 整个分离器在结构上和热膨胀方面与锅炉为一体，构成夕 壳的水冷壁或 汽冷壁与锅炉水循环系统或过热器系统相连，结构紧凑，其优点是可充分利用宅 删命胃受热嘶。简化和减少了高温管道和热膨胀点、降低造价和设备维修费。水 冷( 或汽冷) 壁外壳可采用标准的绝热材料和外护板有效降低辐射热损失，减少 媾于神经m 络耕识的循环流化珠锅炉的殊_ i 盐控制研究 设备重量，简化了支吊系统。可节省安装时间和成本。 ( 4 ) 回料系统采用一个工作速度很低的流化床密闭缸，用溢流量来调节循环 物料量。这种系统具有自平衡功能，并充当旋风分离器与主床之间的密封。 迄今福斯特惠勒公司已生产各种容量的循环流化床锅炉3 0 多台，虽然该公 司比鲁奇公司和奥斯龙公司开发循环流化床技术起步稍晚。但其跨步较大，该公 司设计、生产的1 5 万千瓦机组循环流化床锅炉已投入运行，目前正在开发2 5 万 千瓦机组循环流化床锅炉。近几年来，各公司为了扩大自己的市场范围，通过许 可证转让，办合资厂等方式把自己的势力扩大到世界各地，例如鲁奇公司把自己 的循环流化床技术转让经美国c e 公司和法国s 1 公司、奥斯龙公司在美国建有 p y r o p o w e r 分公司、福斯特惠勒公司向只本j 南朝鲜转让了许可证，他们各自 在世界上形成了自己的技术势力范围。其他各公司，例德国的斯坦缪勒公司和巴 布科克公司、美国巴特尔研究中心、瑞典斯图特斯维克公司、加拿大巴布科克公 司前苏联等也都开发研制循环流化床锅炉，其中大部份都是在引进技术基础上发 展起来的，只有少数公司，如斯图特斯维克公司开出有自己特色的循环充化床锅 炉，幽于这些公司产量较少，所以技术水平、生产能力方面都不能与鲁奇、奥斯 龙、福斯特惠勒公司相比。 目前各种类型的循环流化床锅炉还在不断地进行改进和完善，正在向高参数、 大型化发展，与此同时，增压循环流化床燃烧技术也在开发试验之中，增压床燃 气一蒸汽联合循环发电，可大大提高电一的热效率，因此循环流化床燃烧技术必 将引起火力发电技术领域内一场深亥0 的变革。 1 1 2 循环流化床燃烧技术的的结构组成 循环流化床锅炉的燃烧系统较集中地体现了循环流化床锅炉的结构特点。循 环流化床锅炉的燃烧室与常规的炉膛有较大的差异，典型的循环流化床锅炉，它 分为上、f 两个部分，燃烧室的一f ：部为氧化燃烧区，f 部上要是还原燃烧和固硫 区，由却风装置、密相区、稀相区( 悬浮段) 、床内受热嘶、气固物料分离装黄、 固体物料再循环装置( 回料装置) 、尾部受热面等部分组成。 循环流化床锅炉的燃烧系统的组成如下图所示： l 燃烧寞2 分离器3 尾部焖道4 过热器5 省攥器6 空预器7 除尘器b l 螂94 l i 网, 装置 图i 3 循环流化冻锅炉燃烧系统的组成 1 循环流化床锅炉的布j x l 装置。 锅炉底部的一次风室、布风板、风帽和冷渣管组成。其主要作用有：支撑床 料；均匀分和空气并提供足够的压头；及时排出有沉积倾向的大颗粒，保持正常 流化态，维持安全生产。 布风装簧是循环流化床锅炉的主要组成部分。流化状态的建立、流化质量的 好坏、燃烧工况稳定与否都与布风装置的结构有很大关系，并与d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，分散控制系统) 控制的一次风量是否合适有密切关系。 2 循环流化床锅炉的密相区 通常布风板上方至二次风口的炉膛空间称为密相区。布置有燃料、石灰石、 循环灰进l 】，底部设置格栅。一次飙从格栅送入，上二次风和下一：次风进入炉膛 助燃。床料士要在密相区内实现流态化燃烧。燃料中的人部分热量在密相区内释 放。热态条件f 的流化风速般控制在3 4 m s 以上。床温通常控制在8 5 0 9 5 0 。c 范围内。 3 循环流化床锅炉的稀相区 密相区f j ：方的炉膛空间( 直到炉顶) 通常称为稀相区( 恳浮段) 。在密相 未燃尽的燃料颗粒进入稀相区后依靠：次风的助燃作用进步燃烧放热。般来 说，悬浮段的烟气流速控制在l 一2 m s 较为合适。炉膛出 i 温度控制在1 0 0 0 c 以 璀十神经同络辨识的龋环漉化床锅炉的抹温控制研究 f 。 4 循环流化床锅炉的床内受热面 循环流化床锅炉内受热面主要有炉膛内的膜式水冷壁和高低过热温器组成， 是循环流化床锅炉吸收热量把水变成蒸汽的主要部件。锅炉出口的主汽温度一般 控制在5 4 0 c 左右( 高温高压锅炉) 。 5 循环流化床锅炉的气固物料分离装置 不同流派的循环流化床锅炉有不同形式的气固物料分离装置。目前国内使用 较多的是高温旋风分离器，悬浮段的高温烟气夹带大量的固体物料( 通常称为床 料) ，经过炉膛顶部的高低温过热器吸收热量后就进入旋风分离器进行气固分离。 分离下来的灼热床料进入旋风分离器下部的固体物料再循环设备( 回料装置) 。分 离出来的烟气油旋风分离器上部进入尾部受热面。一般来说，高温旋风分离器内 温度控制在8 0 0 c 走右。 6 循环流化床锅炉的气固物料再循坏设备( 回料装置) 循环流化床锅炉的气固物料再循环设备( 回料装置) 是循环流化床锅炉的关 键设各。不同锅炉常提供的回料装置各不相同，依据转弯处的形状，通常有“r 型阀、“l ”型阀等回料装置。从高温分离器分离出来的床料( 固态物料) 经过f 料管进入回料装置，在j 阀( 或l 阀) 的一定位置送入j 阀( 或l 阀) 风，床料 被高压空气流化，其作用是将高温旋风分离器分离下来的高温灰，从分离器下部 的低压侧( 一般为负压) 输送到燃烧室下部的高压侧( 般为正压) ，起到回送高 温灰的作用。一般情况下，当j 阀风达到使物孝埠回送的临界流量时，物料的回送 量与j 阀( 或l 阀) 风量成：i ：f 比。再返回炉膛内的密相区，形成床料的再循坏。 一般来说，通过控制再循环倍率可以较好地控制床温并且提高燃烧效率。 7 循环流化床锅炉的尾部受热面 循环流化床锅炉的尾部受热面主要有省煤器、空气预热器和低温过热器等。 它们二 ：要用于吸收烟气中的热量，使得排烟温度控制在1 2 0 1 5 0 c 左右。 1 2 循环流化床锅炉燃烧控制的任务及特点 1 2 1 循环流化床锅炉燃烧控制的任务 循环流化床锅炉的燃烧系统的基本任务是使燃料所提供的热量适应锅炉蒸汽 负荷的要求。同对，还要保证锅炉的安全经济运行。锅炉燃烧过程的具体控制任 第一章绪论 务及控制系统的选择因燃料种类、燃烧设备以及锅炉的运行方式的不同而有区别， 燃烧控制系统的任务归纳起来有以下几个方面： 1 维持锅炉主蒸汽的压力( 如果是单台锅炉运行，则维持过热器出口主汽压 力，如果是几台锅炉并列运行，则维持母管主汽压力) ，气压的变化表示锅炉的蒸 汽产量与负荷的耗汽量不相适应。这时必须相应地改变燃料供应量，以改变锅炉 的供汽产量。 2 保证锅炉燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量， 使它与燃料相配合，保证燃烧过程有较高经济性。到目前为止，锅炉的热效率尚 不能直接测量出来，经常是用一些间接的方法来判断锅炉的热效率。而燃烧控制 系统的发展与这问题的解决方案密切相关。如何提高燃烧的经济性，人们正在 进行探索。 3 引风量与送风量相配合以保证炉膛压力存某一值。炉瞠压力的高低，关系 着锅炉的安全经济运行。 4 床温是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要控制参数，同时也直接 影响着锅炉运行中的脱硫效率及n o x 的产，七量。一般床温控制在8 5 0 c 左右，这 个温度是实现炉内脱硫的最佳温度，同时在8 5 0 c 时，仉的产生量也比较小。床 温过低不但使锅炉效率下降，而且会使锅炉运行不稳定，容易灭火。床温过高会 使炉内脱硫效率下降，0 。的产生量也大大增加，同时容易造成炉膛床料结焦， 使循环流化床锅炉无法循坏流化燃烧。若发生炉膛床料结焦的情况则必须停炉。 可以说，床温调节的好坏直接关系到锅炉运行的稳定性。因此，将锅炉床温控制 在定范围内是十分必要的。 5 床层高度控制也与锅炉的安全联系运行密切相关，还与其它因素如热负荷 分布、燃烧效率等有关。 6 = 级返料回灰量控制。该量控制的好坏，将直接影响循环流化床锅炉的循 环倍率，另外对床温也有影响。 1 2 。2 循环流化床锅炉燃烧控制的特点及难点 一、循环流化床锅炉燃烧控制的特点 循环流化床锅炉兼具泡床炉和煤粉炉的长处，又摒弃了两种炉犁的不足之 处，因此，循环流化床燃烧技术具有其它备种燃烧疗式无与伦比的优点，所以爿 被世人公认为最有希望的燃烧技术，其主要优点： 堡塑堑壁垒塑塑竺塑! 塑些鉴塑竺丝壁墅丝型竺! ! 一 l 、低污染燃烧。由于循环流化床燃烧炉膛温度可控制在8 5 0 c 左e ，并可在 投燃料的同时加投石灰石( c 钮o ) 这样可以达到去除s 0 2 、控制n o x 有害物质 生成的目的，避免大气中形成酸雨造成的危害，目前世界上脱硫效率最好的可达 9 5 ，这种先进的燃烧方式为烧高硫煤电厂解除了后顾之优。 2 、燃烧适应范围广，除了燃用一般的煤以外，还可以烧低热值的煤砑石，浊 页岩、煤泥等化石燃料的垃圾、树皮等，这对处理城市垃圾和综合利用能源有着 显著的经济效益和社会效益。 3 、适合调峰运行，循环流化床锅炉能做到在3 0 负荷时不投油稳燃。 4 、锅炉热效率高，循环流化床锅炉的燃料是在多次循环中完成燃烧的，所以 燃料的化学不完全燃烧和机械不完全燃烧的热损几乎可以达到o ”的水平，同时灰 渣的的热量也能得充分的回收。 5 、综合经济效益好。如果燃用煤矸石、油页岩等燃料发电，燃后的灰渣可作 为水泥的掺料和轻质建筑材料，这优点对焕发老煤矿的生机大有可为。据国家 煤炭部提供消息“3 ，今后将用3 - - 5 年时间在全国1 5 0 多个煤矿推广应用3 5 t h 、 6 5t h 、1 3 0t h 的循环流化床锅炉。 循环流化床燃烧技术是一种高效、清洁的煤燃烧技术，在全世界范围内受到 广+ 泛的重视。近十多年来，循环流化床燃烧技术在世界主要工业发达国家得到迅 遽的发展。运行情况表明，循坏流化床锅炉对煤种的适应性强，燃烧效率高、强 度犬。负荷调节性能好，投资及运行费用低，对环境污染小，是很有希望的炉型， 在不久的将来，循环流化床锅炉将一宜是燃煤技术的主力军。因此，在我国大力 开发研究循环流化床技术及其自动控制技术有着十分现实的重要意义。 二、循环流化床锅炉燃烧控制的难点 循环流化床锅炉虽然具有较其他类型的锅炉较为优越的性能和特点，但循环 流化床锅炉的燃烧控制与其他炉型有很大的不同，影晌其燃烧的因素特别多。例 如，给煤量的波动，旋风分离器的循环灰量的变化都会影响床内的燃烧。特别魁 煤质量流擐的变化影响较大，狂中小循环流化床中这一问题较，“重，造成具燃烧 控制系统难以发挥作用或4 i 稳定。特别是我国自行研制循环流化床锅炉，为使结 构简单，造价低，多采用没有外置式换热器循环流化床。这种循环流化床的主蒸 汽n i 力和床温是其有紧密关系的强祸合变量，这给僚烧系统自动控制带来较大的 困难。 第一章绪论 然料量 主汽j 。次风量 ：， c 一瓦，所以推导时q - 以将后者忽略。 根据设计和实验数据，密相区的流化速度及稀相区的烟气上升速度可表示为： v 0 1 = f l ( 2 7 3 + ) ( 2 7 3 x ， 1 )( 2 1 8 ) 2 = ( l + f a 3 ) ( 2 7 3 + 瓦) ( 2 7 3 x ， z ) ( 21 9 ) 需要注意的是根据b 系统输入输出关系的不同，以卜各式求和符号有一负 之分，流八系统为i f ! ，反之为负。 2 2 5 床温控制对象模型仿真 根据循环流化床锅炉理论值“、锅炉的结构参数”! 、煤的特怍及绎验数据 4 ”1 ，对一 ：述循环漉化床控制对象模型的数学描述在工作点进行线性化，町得 | ： 一、一次风改变时床温变化 精于神经列络辨识的循环流化床锅炉的床温控制酬究 一次风改变时床温变化的传递函数“1 如下： w 佃、： 二! ! 。0 s o s 十1 ) o o s 4 - 1 1 对控制对象模型在计算机上进行仿真采用欧拉法进行定步长仿真。仿真步 距为1 秒，仿真时闯为2 0 0 0 秒，仿真结果如图2 4 ： | l k 8 8 7 5 8 7 0 b 6 5 8 6 0 b 5 5 图2 4 一次风帚埘床温模型阶跃响应曲线 尘 6 16 51717 581b 5l919 5 2 一谈风量( n m 3 )ki 口4 圈2 5 实际运行风嚣对床濡响应 从以上图2 4 和图2 5 可看出此控制对象模型的仿真结果( 图2 4 ) 与实际 情况的定性观察( 嘲2 5 ) 相符，证明了循坏筑化床锅炉床温控制对象模型的正 确性。在实际进行床温控制时，通过执行器调节次飙挡板的位嚣来控制- 次帆 量，所以床温控制对象的传递函数应附加上执行器及一次风挡板的传递函数，最 一a)艇聘迪堆凶_目#船 终的床温传递函数应为： ( s ) = j 丽1 两丽- 丽1 9 二、燃料量改变时床温变化 在给煤量阶跃扰动下，床温被控对象的动态特性可用如下传递函数。4 来描述， 其仿真结果如图2 6 。从图2 7 嘲可以看出给煤量对床温的响应曲线非常相符，从 而证明了此传递函数是正确的。 g ( s 1 ： 坚二! 婴 5 p 图2 6 燃料量埘床温模型阶跃哪庸曲线 篙 害i ： 压慧等学制 裂挚0 誊营一 o 9 4l i j 二。l i 。l l 、l l l 一 幕卡神经网络辨识的辑环流化沫锅炉的睬温控制研究 2 3 本章小结 本章重点介绍了循环流化床锅炉数学模型的几种常用机理分析模型，并在零 维模型的基础上采用基于动态机理的建模方法，建立了一次风量、给煤量为主操 作量的床温控制对象模型。根据循环流化床锅炉的理论特性发结构、经验数据分 别得到一次风量和给煤量为控制对象的对床温的传递函数，并在m a t l a b 下进行了 仿真，得到的仿真结果与实际运行及资料数据显示，证明了传递函数的正确性。 第三章人工种绮网络 第三章人工神经网络 3 1 人工神经网络 3 1 1人工神经网络的发展与应用 用机器代替人脑的部分劳动是当今科学技术发展的重要标志。计算机就是采 用电子元件的组合来完成人脑的某些记忆、计算和判断功能的系统。虽然现代计 算机有很强的计算和信息处理能力，但是它对于模式识别、感知和在复杂环境中 作出决策等问题的处理能力却远不如人，特别是它只能按人事先编好的程序机械 地执行，缺乏向环境学习适应环境的能力。早在2 0 世纪初，人们已经知道人脑的 工作方式与现在的计算机是不同的，人脑是出极大量的基本单元( 称之为神经元) 经过复杂的互相连接而成的一种高度复杂的、非线性的、并行处理的信息处理系 统。现代计算机中每个电子元件的计算速度为纳秒( 1 f f 9 秒) 级，而人脑中每个 神经细胞的反应时白j 只有毫秒( 1 0 0 秒) 级，比计算机低5 6 个数量级。然而由 于人脑的神经元细胞数量巨大( 约为l o 0 个) ，每个神经元可与几千个其他神经 元连接( 总连接数约为6 1 0 ”) ，在进行诸如记忆回溯、语言理解、直觉推理、 图像识别等决策过程中，人脑往往只需要一秒钟左右的时间就可以完成复杂的处 理。 由此，人们自然会想到，大脑的组织结构和运行机制必有其绝妙的特点，从 模仿人脑智能的角度出发，来探寻新的信息表示，存储和处理方式。设计全新的 计算机处理机构模型，构造种更接近人类智能的信息处理系统束解决实际，【程 和科学领域中传统的冯诺依曼计算机难以解决的问题，它既有超越人的计锋能 力义有类似“r 人的淤圳、判断、联想和决策的能力。 人工神经网络( a r i t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，以下简称n n ) n i 足矗：人类对其大 脑神经网络认识理解的基础上人工构造的能够实现某种功能的神经网络。它足理 论化的人脑神经网络的数学模型，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的 种信息处理系统。它可用电子或光电元件实现，也可用软件在常规“算机卜仿 真。它具有大量连接的并行分布式处理器，它具有通过学习获取知u 并解决问题 的能力，且知识是分布存储在连接权( 对应于生物神经元的树突) 中，而不是象 - 2 s 苎土塑丝塑竺垡望竺煎! 迹些鉴塑芝塑窒塑塑型型壅一一 常规计算机邦样按地址存放在特定的存储单元中。 从8 0 年代初，神经网络的研究再次复苏并形成热点以来，发展非常迅速，其 用途日益广泛，应用领域也在不断拓展，已在工程领域中得到广泛的应用。总而 言之，人工神经网络技术可用于如下信息处理工作：函数逼近、感知觉模拟、多 目标跟踪、联想记忆及数据恢复等。具体而言，其主要用于( 或比较适宜于用来) 解算下述凡类问题阳1 ： ( 1 ) 模式信息处理和模式识别 模式信息处理就是对模式信息进行特征提取、聚类分析、边缘检测、信号增 强、噪声抑制、数据压缩以及各种变换等。模式识别就是将所研究客体的特性类 属跌射成“类别号”，以实现对客体特定类别的识别。这方面的主要应用有：图形、 符号、手写体及语音识别，雷达及声纳等目标识别，药物构效关系等化学模式信 息辨识，机器人视觉、听觉。各种最近相邻模式聚类及识别分类等等。 ( 2 ) 最优化问题计算 人工神经网络的大部分模型是非线性动态系统，若将所计算问题的目标函数 与网络某种能量函数对应起来，网络动念向能量函数对应起来，网络动态能最函 数极小值方向移动的过程可视作优化问题的解算过程。这方面的应用包括组合优 化、条件约束优化等一类求解问题，如任务分配、货物调度、路径选择、组合编 码、排序、系统规划、交通管理以及图论中各类问题的解算等。 ( 3 ) 信息的智能化处理 神经网络适宜于处理具有残缺结构和含有错误成分的模式，能够在信源信息 含糊、不确定、不完整，存在矛盾及假象等复杂环境中处理模式。这方丽的主要 应用是：自然语言处理、市场分析、预测估值、系统诊断、事故检查、密码破译、 语言翻译、逻辑推理、知识表达、智能机器人、模糊评判等。 ( 4 ) 复杂控制 神经网络在诸如机器人运动控制等复杂控制问题方面有独至d 之处。较之传统 数字计算机的离散拄制方式，更适。f j r 组成快速实时自适应拄制。这b l i 的蕾要 应用是：多变量自适应控制、变结构优化控制、智能及鲁棒控制等，本文i f 是基 于神经网络的此种功用而作出的种复杂控制。 ( 5 ) 信号处理 神经网络的自学习和自适应能力使其成为对备类信号进行多用途加 ：处理的 一种天然工具，尤其在处理连续时序模拟信号方面有很自然的适应性。这方面的 主要应用有：自适应滤波、时序预测、曙估计和快速傅立叶变换、通信编码和解 第三章人t 神绎阿络 码、信号增强降噪、噪声相消、信号特征检测等。 3 1 2 人工神经元模型 神经元是人工神经网络的基本处理单元，它一般是一个多输入单输出的非线 性元件。 一个具有p 个输入分量的神经元如图3 1 汹1 所示。它有三个基本要素： 蓍三 例3i 甲个神经，模型删( h a y k i ni l l ，p a g e8 ) ( 1 ) 一组连接( 对应于生物神经元的突触) ，连接强度由各连接二的权值表 示，权值为匝表示激活，为负表示抑制： ( 2 ) 个求和单元，用于求取各输入信号的加权和( 线性组合) ： ( 3 ) 个非线性激活函数，起非线性映射作用并将神经元输出幅度限制在一 定范围内( 一般限制在( o ，1 ) 或( 一1 + i ) 之问) 。 此外还有一个阈值幺或偏置巩= - e , 。 图3 1 中的神经元的作用可以用以下两个方程“= “。表达出来： 占 心2 己w k s x ， ( 3 j ) 式中 “ ，k ，p 线性组合结果 p 杯索引 权位 输入信号 和 y t = 妒( “ 一最) 式中 p激活函数 y输出信号 ( 3 2 ) 璀十 申绛嘲络辨识的循环流化睐锅炉的睐温控制研究 舀闺值t 偏差 若把输x n 维数增加一维，则可把阈值q 包括进去。例如 女= w o x ，y t = 妒( “ 一以) ( 3 3 ) t = o 此处增加了一个新的连接，其输入为= 一1 ( 或+ 1 ) ，权值为w k 。= 轨( 或“) ， 如图3 2 ( a ) 、( b ) 所示。 州定 输 辅出 入 n f - 1 弓 蹦3 2 输 扩维后的曲神神辨儿榛雒! 激活函数妒( ) 可以有如下几种形式”。： 闽值函数 分段线性函数 s i g m o i d 函数 ( ) 阂值函数 1 v 0 垆 o v o 4 其中 j = “f o k 。 ( 2 ) 分段线性函数 l3 5 ) ( 3 ) s i g m o i d 函数 具有平滑和渐进性，并保持单调性，最常用的函数形式为 1 v = 一 1 + 。1 p ( 一。”) ( 36 ) 参数a 可控制其斜率。另种常用的是双曲i f - ! 切函数： 却 k ，、，、 o ， 存在整数掰和一组实常数& ，0 ，和，其中，i = 1 ，必，j = l 2 巾，使得网络输出 村p f ( x ，o ) = q 妒( w o x 一只) i = 1 ，= l 可任意逼近，( ) ，即 f ( 五，x ，讳) 一，( x ，x 。，x ，) l o 。 对积分l 、比例p 和微分d 分别采用了不同的学习速率q 1 ，qp ，q d ，以便 埘不同的权系数分别避行凋嚣蓦。 k 值的选择4 仁常霞璺。k 越人则快速行越蚶，忖超调量大，甚至可能使系 统4 i 稳定。当被控对象时延增人州，值必须减少，以保证系统稳定。岸筐选择 过小，会使系统的快速性变差。 4 2 2 改进的单神经元自适应p l d 控制 在大量的实际应用中，通过实践表明，p i d 参数的在线学习修| ：主要与8 r 纠 和a e r 七j 有关。基于此可将单神经元自适应p i d 控制控制算法中的加权系数学习 修正部分进行修改，即将其中的而似j 改为e f 剐+ 4 p 俐，改进后的算法如下 3 n ( ) = “( 女一1 ) + 眉州( 跳( 女) ( 4 7 ) i = 1 ：。渺) ，主f w ，( 女l w l ( ) = w l ( k 1 ) + 玎，2 ( ) “( ) ( p ( ) + g ( 女) ) w 2 ( 女) = w 2 ( 一1 ) + 玎p z ( ) “( ) ( g ( 女) + p ( ) ) w 3 ( k ) = w 3 ( k 一1 ) 十r l d z ( 女) “( k ) ( e ( 女) + a e ( k ) ) 式中，a e ( k ) = g ( ) 一e ( k 一1 ) ，z ( t ) = f ( 女) 采用上述改进算法后，权系数的在线修正就不完全是根据神经网络学习原理 而是参考实际经验制定的。也就是说由于实际输出床濡数值与设定值的误著存在 从而使得神经网络根据这个误差值来进行修j 下网络的权系数。 4 2 。3 仿真与分析 目前在实际工程中，循环流化床锅炉被分为许多的s i s o ( 单输入单输出) 系 统进行控制。在燃烧系统中，我们首先考虑一次风对床温影响的控制系统。仿真 是系统是在m a t l a b 软环境下进行的仿真，图4 2 至图4 6 为仿真所得曲线。 首先出图4 2 可以看出革神经元自适应p i d 控制与普通p i d 控制相比，床温 的响直速度与普通p i d 控制相当，但无超调量、无振荡。图4 3 至图4 5 分别为 单神经元自适应p i d 控制阶跃响应误筹曲线、单神经元自适应p i d 控制阶跃输入 曲线以及单神经元自适应整定的k p ，k i ，k d 曲线。从圈中可以看出单神经元网络 整定的p i d 控制平稳，调节时间较短，很快进入稳念。对于图4 6 中模型参数有 小突变，将对象惰性区的时间常数变大，保持其它参数不变相当于延迟t 变人。 ，p 神经元控制能较好地球踪没定值，系统自较拦的适应性，0 泛化能力较强。 4 0 第心章循环流化床锅炉床溢的神始 5 9 绣整定的p i d 控制及系统辨识 14 12 。 ，lt 适h筏窟 f 了。r 一 一r ? o 摹lt 蛏元d c1 整建 ： ， 沁 l f ： j j 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 加01 6 0 01 0 0 02 0 0 0 t i m e ( s ) 图4 2 甲神经元白适麻p i d 控制与普通p d 鹕定仿真对比曲线 0 8 0 6 04 0 2 0 02 一r 1 i j 0瑚4 0 06 0 0 8 0 0 1 0 0 01 2 口01 4 0 01 6 0 口1 8 0 ( 32 0 0 0 f i m e ( s ) 图4 - 3 单神经丸自适席p i d 阶跃响虑谋著曲线 吣 蛇 o h 3 口年，e 墨塑丝型堑塑望塑堡堡鎏丝生塑竺垫鉴垫丝型型壅 02 6 0 2 4 1 32 2 0 2 30 1 日 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 ， 7 ， 一 i 0瑚4 6 0 0咖1 0 0 01 2 0 01 4 1 3 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 l i m e ( s ) 圈4 4 单神经冗自适麻p i d 控制一次风罩阶跃输入曲线 眵7 1 一一一 i ，。7 | 02 0 口4 0 0咖8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 咖